Podle moderních představ vznikla přibližně před 4,5 miliardami let a od té chvíle je naše planeta obklopena magnetickým polem. Vše na Zemi, včetně lidí, zvířat a rostlin, je jím ovlivněno.
Magnetické pole sahá do výšky asi 100 000 km (obr. 1). Vychyluje nebo zachycuje částice slunečního větru, které jsou škodlivé pro všechny živé organismy. Tyto nabité částice se tvoří radiační pás Země a celá oblast blízkozemského prostoru, ve které se nacházejí, se nazývá magnetosféra(obr. 2). Na straně Země osvětlené Sluncem je magnetosféra omezena kulovou plochou o poloměru přibližně 10-15 pozemských poloměrů a na opačné straně je rozšířena jako ohon komety na vzdálenost až několika tisíc Zemské poloměry, tvořící geomagnetický ohon. Magnetosféra je oddělena od meziplanetárního pole přechodovou oblastí.
Magnetické póly Země
Osa zemského magnetu je vůči rotační ose Země nakloněna o 12°. Nachází se přibližně 400 km od středu Země. Body, ve kterých tato osa protíná povrch planety, jsou magnetické póly. Magnetické póly Země se neshodují se skutečnými geografickými póly. V současnosti jsou souřadnice magnetických pólů následující: sever - 77° severní šířky. a 102°W; jižní - (65° jižní šířky a 139° východní délky).
Rýže. 1. Struktura magnetického pole Země
Rýže. 2. Struktura magnetosféry
Nazývají se siločáry probíhající od jednoho magnetického pólu k druhému magnetické meridiány. Mezi magnetickým a geografickým poledníkem vzniká úhel, tzv magnetická deklinace. Každé místo na Zemi má svůj vlastní úhel sklonu. V Moskevské oblasti je úhel deklinace 7° na východ a v Jakutsku je to asi 17° na západ. To znamená, že severní konec střelky kompasu v Moskvě se odchyluje o T vpravo od geografického poledníku procházejícího Moskvou a v Jakutsku - o 17° vlevo od odpovídajícího poledníku.
Volně zavěšená magnetická střelka je umístěna vodorovně pouze na linii magnetického rovníku, která se neshoduje s geografickou. Pokud se přesunete na sever od magnetického rovníku, severní konec jehly bude postupně klesat. Úhel, který svírají magnetická střelka a vodorovná rovina, se nazývá magnetický sklon. Na severním a jižním magnetickém pólu je magnetický sklon největší. Je roven 90°. Na severním magnetickém pólu bude volně zavěšená magnetická střelka instalována vertikálně severním koncem dolů a na jižním magnetickém pólu bude její jižní konec směřovat dolů. Magnetická střelka tedy ukazuje směr magnetických siločar nad zemským povrchem.
Postupem času se poloha magnetických pólů vzhledem k povrch Země mění se.
Magnetický pól objevil průzkumník James C. Ross v roce 1831, stovky kilometrů od jeho současné polohy. V průměru se za rok urazí 15 km. V minulé roky rychlost pohybu magnetických pólů prudce vzrostla. Například severní magnetický pól se v současnosti pohybuje rychlostí asi 40 km za rok.
Převrácení magnetických pólů Země se nazývá inverze magnetického pole.
Během geologické historie naší planety změnilo magnetické pole Země svou polaritu více než 100krát.
Magnetické pole je charakterizováno intenzitou. Na některých místech na Zemi se magnetické siločáry odchylují od normálního pole a vytvářejí anomálie. Například v oblasti Kurské magnetické anomálie (KMA) je intenzita pole čtyřikrát vyšší než normálně.
Magnetické pole Země se denně mění. Důvodem těchto změn magnetického pole Země jsou elektrické proudy proudící v atmosféře ve vysokých nadmořských výškách. Jsou způsobeny slunečním zářením. Vlivem slunečního větru se magnetické pole Země deformuje a získává „stopu“ ve směru od Slunce, která se táhne v délce stovek tisíc kilometrů. Hlavní příčinou slunečního větru, jak již víme, jsou obrovské výrony hmoty ze sluneční koróny. Jak se pohybují směrem k Zemi, mění se v magnetické mraky a vedou k silným, někdy extrémním poruchám na Zemi. Zvláště silné poruchy zemského magnetického pole - magnetické bouře. Některé magnetické bouře začínají náhle a téměř současně po celé Zemi, zatímco jiné se rozvíjejí postupně. Mohou trvat několik hodin nebo dokonce dní. Magnetické bouře se často objevují 1-2 dny po sluneční erupci v důsledku průchodu Země proudem částic vyvržených Sluncem. Na základě doby zpoždění se rychlost takového korpuskulárního proudění odhaduje na několik milionů km/h.
Při silných magnetických bouřích je narušen běžný provoz telegrafu, telefonu a rozhlasu.
Magnetické bouře jsou často pozorovány na zeměpisné šířce 66-67° (v zóně polární záře) a vyskytují se současně s polárními zářemi.
Struktura magnetického pole Země se mění v závislosti na zeměpisné šířce oblasti. Propustnost magnetického pole se směrem k pólům zvyšuje. Přes polární oblasti jsou magnetické siločáry víceméně kolmé k zemskému povrchu a mají trychtýřovitý tvar. Jejich prostřednictvím proniká část slunečního větru z denní strany do magnetosféry a následně do horních vrstev atmosféry. Během magnetických bouří se sem řítí částice z ohonu magnetosféry, které dosahují hranic horní atmosféry ve vysokých zeměpisných šířkách severní a jižní polokoule. Právě tyto nabité částice zde způsobují polární záře.
Takže magnetické bouře a denní změny magnetického pole jsou vysvětleny, jak jsme již zjistili, slunečním zářením. Co je ale hlavním důvodem, který vytváří permanentní magnetismus Země? Teoreticky bylo možné prokázat, že 99 % magnetického pole Země je způsobeno zdroji skrytými uvnitř planety. Hlavní magnetické pole je způsobeno zdroji umístěnými v hlubinách Země. Lze je zhruba rozdělit do dvou skupin. Jejich hlavní část je spojena s procesy v zemském jádru, kde v důsledku nepřetržitých a pravidelných pohybů elektricky vodivé hmoty vzniká systém elektrických proudů. To druhé je způsobeno tím, že skály zemská kůra, která je magnetizována hlavní elektrické pole(pole jádra), vytvářejí své vlastní magnetické pole, které se sčítá s magnetickým polem jádra.
Kromě magnetického pole kolem Země existují ještě další pole: a) gravitační; b) elektrické; c) tepelné.
Gravitační pole Země se nazývá gravitační pole. Je nasměrován podél olovnice kolmé k povrchu geoidu. Pokud by Země měla tvar rotačního elipsoidu a hmoty by v ní byly rovnoměrně rozloženy, pak by měla normální gravitační pole. Rozdíl mezi intenzitou skutečného gravitačního pole a teoretickou je gravitační anomálie. Různé materiálové složení a hustota hornin způsobují tyto anomálie. Ale jsou možné i jiné důvody. Lze je vysvětlit následujícím procesem - rovnováha pevné a relativně lehké zemské kůry na těžším svrchním plášti, kde se vyrovnává tlak nadložních vrstev. Tyto proudy způsobují tektonické deformace, pohyb litosférických desek a tím vytvářejí makroreliéf Země. Gravitace drží atmosféru, hydrosféru, lidi, zvířata na Zemi. Při studiu procesů je třeba vzít v úvahu gravitaci geografická obálka. Termín " geotropismus“ jsou růstové pohyby rostlinných orgánů, které pod vlivem gravitační síly vždy zajišťují vertikální směr růstu primárního kořene kolmo k povrchu Země. Gravitační biologie využívá rostliny jako experimentální subjekty.
Pokud se nebere v úvahu gravitace, je nemožné vypočítat počáteční údaje pro odpalování raket a kosmické lodě, znemožní gravimetrický průzkum rudných minerálů a nakonec znemožní další vývoj astronomie, fyzika a další vědy.
Abychom pochopili původ oboru a jeho charakteristiky, je nutné porozumět mnohým přírodní jev. Jednoduše řečeno, tento jev je zvláštní formou hmoty vytvořené magnety. Kromě toho mohou být zdroji magnetického pole relé, generátory proudu, elektromotory atd.
Trochu historie
Než půjdeme hlouběji do historie, stojí za to znát definici magnetického pole: magnetické pole je silové pole, které ovlivňuje pohybující se elektrické náboje a tělesa. Pokud jde o fenomén magnetismu, ten sahá do hluboké minulosti, do doby rozkvětu civilizací v Malé Asii. Právě na jejich území, v Magnesii, byly nalezeny horniny, které se k sobě přitahovaly. Byly pojmenovány podle oblasti, kde vznikly.
Rozhodně je těžké říci, kdo objevil pojem magnetické pole. Nicméně, v začátek XIX století provedl H. Oersted experiment a zjistil, že pokud je magnetická střelka umístěna v blízkosti vodiče a prochází jím proud, šipka se začne vychylovat. Pokud se odebere snímek s proudem, pak je jeho pole ovlivněno vnějším polem.
Pokud jde o moderní možnosti, magnety, které se používají ve výrobě různé zboží, může ovlivnit činnost elektronických kardiostimulátorů a dalších zařízení v kardiologii.
Standardní železné a feritové magnety nezpůsobují téměř žádné problémy, protože se vyznačují nízkou pevností. Poměrně nedávno se však objevily silnější magnety – slitiny neodymu, boru a železa. Jsou zářivě stříbrné a jejich pole je velmi silné. Používají se v následujících odvětvích:
- Šití.
- Jídlo.
- Výroba obráběcích strojů.
- Prostor atd.
Definice pojmu a grafické zobrazení
Magnety, které jsou prezentovány ve formě podkovy, mají dva konce - dva póly. Právě v těchto místech se objevují nejvýraznější atraktivní vlastnosti. Pokud zavěsíte magnet na provázek, jeden konec bude vždy směřovat na sever. Na tomto principu je založena činnost kompasu.
Magnetické póly se mohou vzájemně ovlivňovat: jako se póly odpuzují, na rozdíl od pólů se přitahují. Kolem těchto magnetů se objeví odpovídající pole, které je podobné elektrickému. Za zmínku stojí, že je nemožné určit magnetické pole lidskými smysly.
Magnetické pole a jeho charakteristiky se často zobrazují ve formě grafů pomocí indukčních čar. Termín znamená, že existují čáry, jejichž tečny se sbíhají s vektorem magnetické indukce. Tento parametr se skládá z vlastností magnetického pole a slouží jako určující faktor jeho síly a směru.
Pokud je pole super intenzivní, bude tam mnohem více čar.
Koncept magnetického pole ve formě obrazu:
Přímé vodiče vedoucí elektrický proud mají vedení ve tvaru soustředného kruhu. Jejich středová část bude umístěna na středové ose vodiče. Magnetické čáry jsou směrovány podle pravidla gimlet: řezací prvek je zašroubován tak, aby směřoval ve směru proudu, a rukojeť ukazuje ve směru čar.
Pole, které je vytvořeno jedním zdrojem, může mít v různých prostředích různé síly. To vše díky magnetickým parametrům média a přesněji absolutní magnetické permeabilitě, která se měří v Henry na metr (g/m). Dalšími parametry pole jsou magnetická konstanta – celková permeabilita vakua a relativní konstanta.
Propustnost, napětí a indukce
Propustnost je bezrozměrná hodnota. Média, která mají propustnost menší než jedna, se nazývají diamagnetická. Pole v nich není o nic silnější než ve vakuu. Mezi tyto prvky patří voda, stolní sůl, vizmut, vodík. Látky s permeabilitou nad jednotu se nazývají paramagnetické. Tyto zahrnují:
- Vzduch.
- Lithium.
- Hořčík.
- Sodík.
Magnetická permeabilita diamagnetických a paramagnetických materiálů nezávisí na faktorech, jako je napětí vnějšího pole. Jednoduše řečeno, tato hodnota je pro konkrétní prostředí konstantní.
Feromagnetika patří do samostatné skupiny. Jejich magnetická permeabilita může dosáhnout několika tisíc. Takové látky jsou schopny aktivně magnetizovat a zvětšovat pole. Feromagnetika jsou široce používána v elektrotechnice.
Odborníci znázorňují vztah mezi vnější intenzitou pole a magnetickou indukcí feromagnetik pomocí magnetizační křivky, tedy grafů. Tam, kde se graf křivky ohýbá, rychlost nárůstu indukce klesá. Po ohnutí, když je dosaženo určité hodnoty, se objeví saturace a křivka mírně stoupá, blíží se hodnotám přímky. V tomto bodě dochází k nárůstu indukce, ale docela malému. Shrneme-li, můžeme říci, že graf vztahu mezi napětím a indukcí není konstantním subjektem a že propustnost prvku závisí na vnějším poli.
Síla pole
Další důležitou charakteristikou MF je napětí, které se používá spolu s indukčním vektorem. Tato definice je vektorový parametr. Určuje intenzitu vnějšího pole. Silná pole feromagnetik lze vysvětlit přítomností malých prvků v nich, které se jeví jako malé magnety.
Pokud feromagnetická složka nemá magnetické pole, může postrádat magnetické vlastnosti, protože doménová pole budou mít různé orientace. S ohledem na vlastnosti můžete feromagnet umístit do vnějšího magnetického pole, například do cívky s proudem, kdy domény změní svou polohu ve směru pole. Pokud je ale externí MF příliš slabý, tak se otočí jen malý počet domén, které jsou mu blízké.
S rostoucí silou vnějšího pole se v jeho směru začne otáčet rostoucí počet domén. Jakmile se všechny domény otočí, objeví se nová definice – magnetická saturace.
Změny pole
Magnetizační křivka nekonverguje s demagnetizační křivkou v okamžiku, kdy se síla proudu zvýší až k jeho nasycení v cívce s feromagnetem. Při nulové intenzitě je tomu naopak, to znamená, že magnetická indukce bude obsahovat další indikátory, které se nazývají zbytková indukce. Pokud indukce zaostává za magnetizační silou, nazývá se to hystereze.
Pro dosažení absolutní demagnetizace jádra feromagnetu v cívce je nutné dát proud v opačném směru, čímž se vytvoří požadované napětí.
Různé feromagnetické prvky vyžadují různé délky. Čím větší je segment, tím více energie je potřeba k demagnetizaci. Když je součástka zcela demagnetizována, dosáhne stavu zvaného koercivita.
Budete-li dále zvyšovat proud v cívce, pak v jednom okamžiku indukce opět dosáhne stavu nasycení, ale s jinou polohou vedení. Při demagnetizaci v opačném směru se objeví zbytková indukce. To se může hodit při výrobě permanentního magnetu. Díly, které mají dobrou schopnost reverzace magnetizace, se používají ve strojírenství.
Lenzova pravidla, levá a pravá ruka
Podle zákona levé ruky snadno zjistíte směr proudu. Takže při instalaci ruky, když jsou magnetické čáry vpuštěny do dlaně a 4 prsty ukazují na směr proudu ve vodiči, palec ukáže směr síly. Taková síla bude směřovat kolmo k proudu a indukčnímu vektoru.
Vodič pohybující se v MP se nazývá prototyp elektrického motoru, když se elektrická energie přeměňuje na mechanickou energii. Při pohybu vodiče v MP vzniká uvnitř něj elektromotorická síla, která má indikátory úměrné indukci, použité délce a rychlosti pohybu. Tento vztah se nazývá elektromagnetická indukce.
Chcete-li určit směr EMF, použijte pravidlo pravá ruka: je také umístěn tak, že čáry pronikají do dlaně, zatímco prsty ukazují, kam směřuje indukované EMF, a palec řídí pohyb vodiče. Dirigent, který se v MP pohybuje pod vlivem mechanická síla, je považována za zjednodušenou verzi elektrického generátoru, kde se mechanická energie přeměňuje na elektrickou energii.
Při zasunutí magnetu do cívky se magnetický tok v obvodu zvýší a MF, které vzniká indukovaným proudem, je namířeno proti nárůstu růstu magnetického toku. Chcete-li určit směr, musíte se podívat na magnet ze severního pole.
Pokud je vodič schopen vytvořit vazbu toku, když jím prochází elektřina, nazývá se to indukčnost vodiče. Tato charakteristika je jednou z hlavních při zmínce o elektrických obvodech.
Pole Země
Planeta Země sama o sobě je jeden velký magnet. Je obklopen koulí, kde převládají magnetické síly. Značná část vědeckých výzkumníků tvrdí, že magnetické pole Země vzniklo z jádra. Má tekutý obal a pevné vnitřní složení. Jelikož se planeta otáčí, v kapalné části se objevují nekonečné proudy a pohyb elektrických nábojů vytváří kolem planety pole, které slouží jako ochranná bariéra před škodlivými kosmickými částicemi, například ze slunečního větru. Pole mění směr částic a posílá je podél čar.
Země se nazývá magnetický dipól. Jižní pól se nachází na geografickém severu a severní MP naopak na jižním. Ve skutečnosti se póly neshodují nejen v umístění. Faktem je, že magnetická osa se nakloní vůči rotační ose planety o 11,6 stupně. Kvůli tomuto malému rozdílu je možné použít kompas. Jehla přístroje bude ukazovat přesně na jižní magnetický pól a mírně zkreslená na severní geografický pól. Pokud by kompas existoval před 730 tisíci lety, ukazoval by jak na magnetický, tak na normální severní pól.
Magnetické pole a jeho vlastnosti
Osnova přednášky:
Magnetické pole, jeho vlastnosti a charakteristiky.
Magnetické pole- forma existence hmoty obklopující pohybující se elektrické náboje (vodiče s proudem, permanentní magnety).
Tento název je způsoben tím, že, jak zjistil v roce 1820 dánský fyzik Hans Oersted, má orientační účinek na magnetickou střelku. Oerstedův experiment: magnetická jehla byla umístěna pod drátem s proudem, otáčejícím se na jehle. Když byl proud zapnut, byl instalován kolmo k drátu; když se změnil směr proudu, otočil se opačným směrem.
Základní vlastnosti magnetického pole:
generované pohybujícími se elektrickými náboji, vodiči s proudem, permanentními magnety a střídavým elektrickým polem;
působí silou na pohybující se elektrické náboje, vodiče s proudem a magnetizovaná tělesa;
střídavé magnetické pole vytváří střídavé elektrické pole.
Z Oerstedovy zkušenosti vyplývá, že magnetické pole je směrové a musí mít vektorovou silovou charakteristiku. Označuje se a nazývá se magnetická indukce.
Magnetické pole je znázorněno graficky pomocí magnetických siločar nebo magnetických indukčních čar. Magnetická síla linky Jsou to linie, podél kterých se v magnetickém poli nacházejí železné piliny nebo osy malých magnetických jehel. V každém bodě takové přímky směřuje vektor podél tečny.
Magnetické indukční čáry jsou vždy uzavřené, což naznačuje nepřítomnost magnetických nábojů v přírodě a vírový charakter magnetického pole.
Obvykle opouštějí severní pól magnetu a vstupují na jižní. Hustota čar se volí tak, aby počet čar na jednotku plochy kolmých k magnetickému poli byl úměrný velikosti magnetické indukce.
N
Magnetický solenoid s proudem
Směr čar je určen správným šroubovým pravidlem. Solenoid je cívka s proudem, jejíž závity jsou umístěny blízko sebe a průměr závitu je mnohem menší než délka cívky.
Magnetické pole uvnitř solenoidu je rovnoměrné. Magnetické pole se nazývá rovnoměrné, pokud je vektor konstantní v libovolném bodě.
Magnetické pole solenoidu je podobné magnetickému poli tyčového magnetu.
S
Solenoid s proudem je elektromagnet.
Zkušenosti ukazují, že pro magnetické pole, stejně jako pro elektrické pole, princip superpozice: indukce magnetického pole vytvořeného několika proudy nebo pohybujícími se náboji se rovná vektorovému součtu indukce magnetických polí vytvořených každým proudem nebo nábojem:
Vektor se zadává jedním ze 3 způsobů:
a) z Amperova zákona;
b) účinkem magnetického pole na rám s proudem;
c) z výrazu pro Lorentzovu sílu.
A Mpper experimentálně zjistil, že síla, kterou magnetické pole působí na prvek vodiče s proudem I umístěný v magnetickém poli, je přímo úměrná síle
proud I a vektorový součin prvku délky a magnetické indukce:
- Amperův zákon
N
Směr vektoru lze zjistit podle obecných pravidel vektorového součinu, ze kterého vyplývá pravidlo levé ruky: pokud je dlaň levé ruky umístěna tak, že do ní vstupují magnetické siločáry, a 4 roztažené prsty směřují podél proudu, pak ohnutý palec ukáže směr síly.
Sílu působící na drát konečné délky lze zjistit integrací po celé délce.
Když I = konst, B = konst, F = BIlsin
Pokud =90 0, F = BIl
Indukce magnetického pole- vektorová fyzikální veličina, číselně rovna síle působící v rovnoměrném magnetickém poli na vodič jednotkové délky s jednotkovým proudem, umístěný kolmo na magnetické siločáry.
1T je indukce rovnoměrného magnetického pole, při kterém působí síla 1N na vodič o délce 1m s proudem 1A, umístěný kolmo na magnetické siločáry.
Dosud jsme uvažovali makroproudy tekoucí ve vodičích. Podle Amperova předpokladu však v každém tělese existují mikroskopické proudy způsobené pohybem elektronů v atomech. Tyto mikroskopické molekulární proudy vytvářejí své vlastní magnetické pole a mohou se otáčet v polích makroproudů, čímž vytvářejí v těle další magnetické pole. Vektor charakterizuje výsledné magnetické pole vytvořené všemi makro- a mikroproudy, tzn. při stejném makroproudu má vektor v různých prostředích různé hodnoty.
Magnetické pole makroproudů je popsáno vektorem magnetické intenzity.
Pro homogenní izotropní prostředí
,
0 = 410 -7 H/m - magnetická konstanta, 0 = 410 -7 N/A 2,
je magnetická permeabilita média, která ukazuje, kolikrát se magnetické pole makroproudů změní vlivem pole mikroproudů média.
Magnetický tok. Gaussova věta pro magnetický tok.
Vektorový tok(magnetický tok) platformou dS nazývá se skalární veličina rovna
kde je projekce na směr normály k místu;
je úhel mezi vektory a.
Směrový plošný prvek,
Vektorový tok je algebraická veličina,
Li - při opuštění povrchu;
Li - při vstupu na povrch.
Tok vektoru magnetické indukce libovolnou plochou S je roven
Pro rovnoměrné magnetické pole = konst,
1 Wb - magnetický tok, procházející plochým povrchem o ploše 1 m 2, umístěným kolmo k rovnoměrnému magnetickému poli, jehož indukce je 1 T.
Magnetický tok povrchem S je číselně roven počtu magnetických siločar protínajících tento povrch.
Protože magnetické indukční čáry jsou vždy uzavřené, pro uzavřený povrch je počet čar vstupujících do povrchu (Ф 0), proto je celkový tok magnetické indukce uzavřeným povrchem nulový.
- Gaussova věta: Tok vektoru magnetické indukce jakýmkoli uzavřeným povrchem je nulový.
Tato věta je matematickým vyjádřením skutečnosti, že v přírodě neexistují žádné magnetické náboje, na kterých by začínaly nebo končily magnetické indukční čáry.
Biot-Savart-Laplaceův zákon a jeho aplikace na výpočet magnetických polí.
Magnetickým polem stejnosměrných proudů různých tvarů se podrobně zabýval Fr. vědci Biot a Savard. Zjistili, že ve všech případech je magnetická indukce v libovolném bodě úměrná síle proudu a závisí na tvaru, velikosti vodiče, umístění tohoto bodu ve vztahu k vodiči a na prostředí.
Výsledky těchto experimentů shrnul Fr. matematik Laplace, který vzal v úvahu vektorovou povahu magnetické indukce a vyslovil hypotézu, že indukce v každém bodě je podle principu superpozice vektorovým součtem indukcí elementárních magnetických polí vytvořených každým úsekem tohoto vodiče.
Laplace formuloval v roce 1820 zákon, který se nazýval Biot-Savart-Laplaceův zákon: každý prvek vodiče s proudem vytváří magnetické pole, jehož indukční vektor v nějakém libovolném bodě K je určen vzorcem:
- Biot-Savart-Laplaceův zákon.
Z Biot-Sauvar-Laplaceova zákona vyplývá, že směr vektoru se shoduje se směrem vektorového součinu. Stejný směr udává pravidlo pravého šroubu (gimletu).
Vezmeme-li v úvahu, že,
Vodivý prvek společně s proudem;
Vektor poloměru připojení k bodu K;
Biot-Savart-Laplaceův zákon má praktický význam, protože umožňuje najít v daném bodě prostoru indukci magnetického pole proudu protékajícího vodičem konečných rozměrů a libovolného tvaru.
Pro proud libovolného tvaru je takový výpočet složitým matematickým problémem. Pokud má však rozložení proudu určitou symetrii, pak aplikace principu superpozice spolu s Biot-Savart-Laplaceovým zákonem umožňuje poměrně jednoduše vypočítat specifická magnetická pole.
Podívejme se na některé příklady.
A. Magnetické pole přímého vodiče, kterým prochází proud.
pro vodič konečné délky:
pro vodič nekonečné délky: 1 = 0, 2 =
B. Magnetické pole ve středu kruhového proudu:
=90 0 , sin=1,
Oersted v roce 1820 experimentálně objevil, že cirkulace v uzavřené smyčce obklopující systém makroproudů je úměrná algebraický součet tyto proudy. Koeficient úměrnosti závisí na volbě soustavy jednotek a v SI je roven 1.
C
Cirkulace vektoru se nazývá integrál s uzavřenou smyčkou.
Tento vzorec se nazývá cirkulační věta nebo zákon totálního proudu:
cirkulace vektoru intenzity magnetického pole podél libovolného uzavřeného obvodu se rovná algebraickému součtu makroproudů (nebo celkového proudu) pokrytých tímto obvodem. jeho vlastnosti V prostoru obklopujícím proudy a permanentní magnety vzniká síla pole, volal magnetický. Dostupnost magnetický pole je odhaleno...
O skutečné struktuře elektromagnetického pole A jeho vlastnostišíření ve formě rovinných vln.
Článek >> FyzikaO SKUTEČNÉ STRUKTUŘE ELEKTROMAGNETICKÉ POLE A JEHO CHARAKTERISTIKAŠÍŘENÍ V PODOBĚ ROVINNÝCH VLN... další složky singlu pole: elektromagnetické pole s vektorovými komponentami a elektrickými pole s komponenty a magnetický pole s komponenty...
Magnetický pole, obvody a indukce
Abstrakt >> Fyzika... pole). Základní charakteristický magnetický pole je jeho síla určená vektorem magnetický indukce (indukční vektor magnetický pole). V SI magnetický... mít magnetický moment. Magnetický pole A jeho Parametry Směr magnetický linky a...
Magnetický pole (2)
Abstrakt >> FyzikaÚsek vodiče AB s proudem v magnetický pole kolmý jeho magnetický linky. Když je zobrazeno na obrázku... hodnota závisí pouze na magnetický pole a může sloužit jeho kvantitativní charakteristický. Tato hodnota je akceptována...
Magnetický materiály (2)
Abstrakt >> EkonomikaMateriály, které přicházejí do styku magnetický pole, vyjádřen v jeho změna, stejně jako v jiných... a po ukončení expozice magnetický pole.1. Základní vlastnosti magnetický materiályMagnetické vlastnosti materiálů se vyznačují...
Široké využití magnetických polí v každodenním životě, ve výrobě a v vědecký výzkum. Stačí jmenovat taková zařízení, jako jsou generátory střídavého proudu, elektromotory, relé, urychlovače elementární částice a různé senzory. Podívejme se blíže na to, co je magnetické pole a jak vzniká.
Co je magnetické pole - definice
Magnetické pole je silové pole, které působí na pohybující se nabité částice. Velikost magnetického pole závisí na rychlosti jeho změny. Podle této vlastnosti se rozlišují dva typy magnetických polí: dynamické a gravitační.
Gravitační magnetické pole vzniká pouze v blízkosti elementárních částic a vzniká v závislosti na vlastnostech jejich struktury. Zdroje dynamického magnetického pole jsou pohybující se elektrické náboje nebo nabitá tělesa, vodiče s proudem a magnetizované látky.
Vlastnosti magnetického pole
Velký francouzský vědec Andre Ampère dokázal přijít na dvě základní vlastnosti magnetického pole:
- Hlavním rozdílem mezi magnetickým polem a elektrickým polem a jeho hlavní vlastností je to, že přenáší relativní charakter. Pokud vezmete nabité těleso, necháte ho nehybné v nějaké vztažné soustavě a umístíte poblíž magnetickou střelku, bude jako obvykle ukazovat na sever. To znamená, že nedetekuje žádné jiné pole než to zemské. Pokud tímto nabitým tělesem začnete pohybovat vzhledem k šipce, začne se otáčet – to naznačuje, že při pohybu nabitého tělesa vzniká kromě elektrického pole také magnetické pole. Magnetické pole se tedy objeví tehdy a pouze tehdy, když se pohybuje náboj.
- Magnetické pole působí na jiný elektrický proud. Lze jej tedy detekovat sledováním pohybu nabitých částic - v magnetickém poli se budou odchylovat, vodiče s proudem se budou pohybovat, rám s proudem se bude otáčet, magnetizované látky se budou posouvat. Zde bychom si měli připomenout magnetickou střelku kompasu, obvykle barevnou Modrá barva, - vždyť je to jen kus zmagnetizovaného železa. Vždy směřuje na sever, protože Země má magnetické pole. Celá naše planeta je obrovský magnet: na severním pólu je jižní magnetický pás a na jižním zeměpisném pólu je severní magnetický pól.
Kromě toho vlastnosti magnetického pole zahrnují následující vlastnosti:
- Sílu magnetického pole popisuje magnetická indukce – jedná se o vektorovou veličinu, která určuje sílu, s jakou magnetické pole ovlivňuje pohybující se náboje.
- Magnetické pole může být konstantního a proměnlivého typu. První je generováno elektrickým polem, které se v čase nemění; Druhý je nejčastěji generován pomocí induktorů napájených střídavým proudem.
- Magnetické pole nelze vnímat lidskými smysly a je zaznamenáváno pouze speciálními senzory.
Při připojení dvou paralelních vodičů k elektrickému proudu se budou přitahovat nebo odpuzovat v závislosti na směru (polaritě) připojeného proudu. To se vysvětluje fenoménem vzniku zvláštního druhu hmoty kolem těchto vodičů. Tato látka se nazývá magnetické pole (MF). Magnetická síla je síla, kterou na sebe vodiče působí.
Teorie magnetismu vznikla ve starověku, ve starověké civilizaci Asie. V horách Magnesia našli zvláštní skálu, jejíž kusy se mohly vzájemně přitahovat. Podle názvu místa se této skále říkalo „magnetická“. Tyčový magnet obsahuje dva póly. Jeho magnetické vlastnosti jsou zvláště výrazné na pólech.
Magnet visící na niti ukáže svými póly strany horizontu. Jeho póly budou otočeny na sever a jih. Na tomto principu funguje kompas. Opačné póly dvou magnetů se přitahují a jako póly se odpuzují.
Vědci zjistili, že magnetizovaná jehla umístěná v blízkosti vodiče je vychýlena, když jí prochází elektrický proud. To naznačuje, že se kolem něj tvoří MP.
Magnetické pole ovlivňuje:
Pohybující se elektrické náboje.
Látky zvané feromagnetika: železo, litina, jejich slitiny.
Permanentní magnety jsou tělesa, která mají společný magnetický moment nabitých částic (elektronů).
1 - Jižní pól magnetu
2 - Severní pól magnetu
3 - MP na příkladu kovových pilin
4 - Směr magnetického pole
Siločáry se objeví, když se permanentní magnet přiblíží k listu papíru, na který je nasypána vrstva železných pilin. Obrázek jasně ukazuje umístění pólů s orientovanými siločárami.
Zdroje magnetického pole
- Elektrické pole se v čase mění.
- Mobilní poplatky.
- Permanentní magnety.
Permanentní magnety známe od dětství. Používaly se jako hračky, které přitahovaly různé kovové části. Byly připevněny k lednici, byly zabudovány do různých hraček.
Elektrické náboje, které jsou v pohybu, mají nejčastěji více magnetické energie ve srovnání s permanentními magnety.
Vlastnosti
- Hlavní punc a vlastností magnetického pole je relativita. Pokud necháte nabité tělo nehybné v určitém referenčním rámci a umístíte poblíž magnetickou jehlu, bude směřovat na sever a zároveň „necítí“ cizí pole, s výjimkou pole Země. . A pokud začnete pohybovat nabitým tělem poblíž šipky, pak se kolem těla objeví MP. V důsledku toho je zřejmé, že MF se tvoří pouze tehdy, když se určitý náboj pohybuje.
- Magnetické pole může ovlivňovat a ovlivňovat elektrický proud. Lze jej detekovat sledováním pohybu nabitých elektronů. V magnetickém poli budou částice s nábojem vychylovány, vodiče s protékajícím proudem se budou pohybovat. Rám s připojeným přívodem proudu se začne otáčet a magnetizované materiály se posunou o určitou vzdálenost. Střelka kompasu je nejčastěji zbarvena modře. Je to pásek z magnetizované oceli. Kompas vždy ukazuje na sever, protože Země má magnetické pole. Celá planeta je jako velký magnet s vlastními póly.
Magnetické pole lidské orgány nevnímají a lze jej detekovat pouze speciálními přístroji a senzory. Dodává se ve variabilních a stálých typech. Střídavé pole je obvykle vytvářeno speciálními induktory, které pracují na střídavý proud. Konstantní pole je tvořeno konstantním elektrickým polem.
Pravidla
Podívejme se na základní pravidla pro zobrazení magnetického pole pro různé vodiče.
Gimletovo pravidlo
Siločára je znázorněna v rovině, která je umístěna pod úhlem 90° k dráze toku proudu tak, že v každém bodě síla směřuje tečně k čáře.
Chcete-li určit směr magnetických sil, musíte si zapamatovat pravidlo gimletu s pravým závitem.
Věnec musí být umístěn ve stejné ose s vektorem proudu, rukojeť musí být otočena tak, aby se gimlet pohyboval ve směru jeho směru. V tomto případě je orientace čar určena otáčením rukojeti gimletu.
Pravidlo prstenového gimletu
Translační pohyb gimletu ve vodiči vytvořeném ve formě prstence ukazuje, jak je orientace indukce shodná s tokem proudu.
Siločáry mají své pokračování uvnitř magnetu a nelze je otevřít.
Magnetické pole různých zdrojů se vzájemně sčítá. Tím vytvářejí společné pole.
Magnety se stejnými póly se odpuzují a magnety s různými póly se přitahují. Hodnota síly interakce závisí na vzdálenosti mezi nimi. Jak se póly přibližují, síla roste.
Parametry magnetického pole
- průtoková spojka ( Ψ ).
- Vektor magnetické indukce ( V).
- Magnetický tok ( F).
Intenzita magnetického pole se vypočítá z velikosti vektoru magnetické indukce, který závisí na síle F, a je tvořen proudem I podél vodiče o délce l: B = F / (I * l).
Magnetická indukce se měří v Tesle (T), na počest vědce, který studoval jevy magnetismu a pracoval na jejich metodách výpočtu. 1 T se rovná indukční síle magnetického toku 1 N na délku 1 m přímý vodič pod úhlem 90 0 do směru pole, s protékajícím proudem jednoho ampéru:
1 T = 1 x H / (A x m).
Pravidlo levé ruky
Pravidlo najde směr vektoru magnetické indukce.
Pokud je dlaň levé ruky umístěna v poli tak, že siločáry magnetického pole vstupují do dlaně od severního pólu pod úhlem 90 0, a 4 prsty jsou umístěny podél toku proudu, palec ukáže směr magnetické síly.
Pokud je vodič pod jiným úhlem, pak bude síla přímo záviset na proudu a průmětu vodiče do roviny v pravém úhlu.
Síla nezávisí na druhu materiálu vodiče a jeho průřezu. Pokud neexistuje žádný vodič a náboje se pohybují v jiném médiu, pak se síla nezmění.
Když je vektor magnetického pole nasměrován v jednom směru o jedné velikosti, pole se nazývá rovnoměrné. Různá prostředí ovlivňují velikost vektoru indukce.
Magnetický tok
Magnetická indukce procházející určitou oblastí S a omezená touto oblastí je magnetický tok.
Pokud je plocha skloněna pod určitým úhlem α k indukční přímce, magnetický tok se zmenší o velikost kosinusu tohoto úhlu. Jeho největší hodnota se vytvoří, když je plocha v pravém úhlu k magnetické indukci:
F = B * S.
Magnetický tok se měří v jednotce jako např "weber", což se rovná toku indukce vel 1 t podle oblasti v 1 m2.
Vazba toku
Tento koncept se používá k vytvoření obecný význam magnetický tok, který vzniká z určitého počtu vodičů umístěných mezi magnetickými póly.
V případě, že stejný proud já proudí vinutím s počtem závitů n, celkový magnetický tok tvořený všemi závity je vazba toku.
Vazba toku Ψ měřeno ve Webers a rovná se: Ψ = n * Ф.
Magnetické vlastnosti
Magnetická permeabilita určuje, o kolik je magnetické pole v určitém prostředí nižší nebo vyšší než indukce pole ve vakuu. Látka se nazývá magnetizovaná, pokud vytváří své vlastní magnetické pole. Když je látka umístěna do magnetického pole, zmagnetizuje se.
Vědci určili důvod, proč tělesa získávají magnetické vlastnosti. Podle hypotézy vědců jsou uvnitř látky elektrické proudy mikroskopické velikosti. Elektron má svůj vlastní magnetický moment, který má kvantová příroda, se pohybuje po určité dráze v atomech. Právě tyto malé proudy určují magnetické vlastnosti.
Pokud se proudy pohybují náhodně, pak se jimi způsobená magnetická pole samokompenzují. Vnější pole vytváří uspořádané proudy, takže se vytváří magnetické pole. To je magnetizace látky.
Různé látky lze rozdělit podle vlastností jejich interakce s magnetickými poli.
Jsou rozděleny do skupin:
Paramagnety– látky, které mají magnetizační vlastnosti ve směru vnějšího pole a mají nízký potenciál magnetismu. Mají pozitivní sílu pole. Mezi takové látky patří chlorid železitý, mangan, platina atd.
Ferrimagnety– látky s magnetickými momenty nevyváženými ve směru a hodnotě. Vyznačují se přítomností nekompenzovaného antiferomagnetismu. Síla pole a teplota ovlivňují jejich magnetickou susceptibilitu (různé oxidy).
Feromagnetika– látky se zvýšenou pozitivní susceptibilitou v závislosti na napětí a teplotě (krystaly kobaltu, niklu apod.).
Diamagnety– mají vlastnost magnetizace v opačný směr vnější pole, tedy záporná hodnota magnetické susceptibility, nezávislá na síle. Při absenci pole tato látka nebude mít magnetické vlastnosti. Mezi tyto látky patří: stříbro, vizmut, dusík, zinek, vodík a další látky.
Antiferomagnetika
– mají vyvážený magnetický moment, což má za následek nízký stupeň magnetizace látky. Při zahřátí dochází k fázovému přechodu látky, při kterém se objevují paramagnetické vlastnosti. Při poklesu teploty pod určitou hranici se takové vlastnosti neprojeví (chrom, mangan).
Uvažované magnety jsou také rozděleny do dvou dalších kategorií:
Měkké magnetické materiály
. Mají nízkou koercitivitu. V magnetických polích s nízkým výkonem se mohou nasytit. Během procesu obrácení magnetizace dochází k malým ztrátám. V důsledku toho se takové materiály používají pro výrobu jader elektrických zařízení pracujících na střídavém napětí (, generátor,).
Pevné magnetické materiálů. Oni mají zvýšená hodnota donucovací síla. K jejich remagnetizaci je zapotřebí silné magnetické pole. Takové materiály se používají při výrobě permanentních magnetů.
Magnetické vlastnosti různých látek nacházejí uplatnění v inženýrských projektech a vynálezech.
Magnetické obvody
Kombinace několika magnetických látek se nazývá magnetický obvod. Jsou si podobné a jsou určeny podobnými zákony matematiky.
Elektrická zařízení, indukčnosti atd. pracují na bázi magnetických obvodů. Ve fungujícím elektromagnetu proudí tok magnetickým obvodem z feromagnetického materiálu a vzduchu, který feromagnetický není. Kombinací těchto komponentů je magnetický obvod. Mnoho elektrických zařízení obsahuje ve svém designu magnetické obvody.